Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие страны, как экономическое, так и социальное, не может проходить без совершенствования технологий, комплексной механизации, автоматизации и роботизации производственных процессов. Применительно к газо- и нефтепроводному транспорту дальнейший рост темпов и объемов их производства неразрывно связан с повышением производительности труда, надежности и качества сооружаемых объектов.
Открытие и освоение новых месторождений нефти и газа в Восточных районах страны неразрывно связано со строительством магистральных трубопроводов и с одновременным увеличением их диаметра до 1420 мм. Одним из наиболее сложных видов монтажных работ при сооружении магистральных трубопроводов являются изоляционно-укладочные работы, которые выполняются изоляционно-укладочной колонной (ИУК). При этом ИУК в общем случае включает в себя краны-трубоукладчики, очистную и изоляционную машины или заменяющий их комбайн. Перспективным способом выполнения изоляционно-укладочных работ является совмещенный способ, при котором очистка, изоляция, подъем и укладка трубопровода в траншею производятся одновременно при движении всех машин в колонне вдоль предварительно сваренного и уложенного на бровку траншеи трубопровода. В настоящее время работа ИУК характеризуется высокой неравномерностью на-гружения кранов-трубоукладчиков, зависящей от изменения рельефа местности, разницы в рабочих скоростях передвижения технологических машин и самих трубоукладчиков, а также наличия у машинистов опыта работы в колонне, Трудности выполнения технологического процесса усугубляются ограниченным количеством трубоукладчиков в колонне, что связано с частым выходом их из строя вследствие перегруженного режима работы. Таким образом, большой объем контролируемых параметров, необходимость учета влияния многочисленных силовых и геометрических возмущающих факто-noR тпеб\гет опепативного согласования паботы исполнитепьных механизмов машин, что не может быть выполнено даже при высокой квалификации машинистов-операторов. Все это приводит к частичной или полной потере поперечной устойчивости трубоукладчиков, а также к смятию стенок трубы вследствие чрезмерного увеличения их напряженного состояния. Для избежания всех этих проблем необходимо не только контролировать и регулировать целый ряд параметров на отдельных трубоукладчиках, но и координировать и синхронизировать действия всех машин в колонне, т.е. создать единую систему управления всеми машинами и механизмами ИУК.
Одним нл эффективных средств выполнения все более возрастающих требований к темпам и качеству строительства трубопроводов большого диаметра, к уровню безопасности, в том числе и экологической, ведения изоляционно-укладочных работ является создание системы автоматизированного управления трубоукладочной колонной.
-і
Непрерывное расширение класса задач, выполняемых трубоукладоч-ными колоннами, а также стремление решить эти задачи в классе автоматических систем, приводит к росту числа полуавтоматических и автоматических систем и подсистем управления отдельными агрегатами и машинами единого технологического процесса. Отсутствие комплексного подхода к решению проблемы автоматизации колонны приводит к малой эффективности таких средств с экономической и технической точки зрения.
Решение нужно искать в разумном сочетании аппаратной и программной форм с единым техническим обеспечением на базе микропроцессорных средств. Искомое решение проблемы управления ИУК - в классе автоматизированных систем управления, где каждая группа задач автоматизации решается в своей функциональной подсистеме с учетом требований высших иерархических уровней.
В автоматизированной системе машинист не исключается из контура управления, он придает системе свойства супервизорного управления, а в условиях изменяющейся технологической обстановки - свойства адаптации.
Работы по созданию САУ трубоукладочными колоннами, с одной стороны, должны решать задачи управления и контроля системного значения. С другой стороны, эти работы должны обобщить опыт создания отдельных схем, моделей, устройств и систем автоматизации изоляционных, укладочных и монтажных работ с помощью кранов-трубоукладчиков и другого оборудования. Над их созданием работали и работают коллективы институтов ВНИИСТ, ВНИИСтройдормаш, СКБ «Газстроймашина», СибАДИ, ІОРГТУ (НІЖ) и ряд других организаций и вузов страны. Значительный вклад в постановку и решение задачи механизации и автоматизации изоляционно-укладочных работ внесли работы Гальперина А.И., Петрова Н.П., Калошина К.И., Тарана В.Д., Липовича А.Л., Кершенбаума Н.Я., Петракова Ю.Б., Пер-чиковского Е.И., Аникина Е.А., Габелая Р.Д., Дудоладова Ю.А., Березина В.П., Рашепкина К.Е., Степанова К.В. и других ученых.
Создание САУ грубоукладочной колонной сдерживается отсутствием теории построения САУ единым технологическим комплексом, алгоритмов управления, теории, на основе которой можно разработать математическое и техническое обеспечение автоматизированной системы. Отсутствие системного подхода к указанной проблеме, а также способов и средств контроля і: регулирования параметров технологического процесса укладки трубопровод;: делает ее весьма актуальной как в техническом, так и в научном плане. Решение проблемы позволит в полной мере использовать все возможности машин и агрегатов укладочных колонн не только при строительстве, но и прг. капитальном ремонте трубопроводов большого диаметра, а также повысит! безопасность работ и решить ряд социальных задач по снижению напряженности работы машинистов.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы являете* создание системы автоматизированного управления трубоукладочными ко лоннами при строительстве и ремонте магистральных газонефтепроводої
ольшого диаметра, позволяющей повысить эффективность процесса изоля-ионно-укладочных работ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие здач и:
- исследовать технологические особенности работы изоляционно-
кладочной колонны, сформулировать проблему и общие подходы к ашома-
изации изоляционно-укладочных колонн;
провести критический анализ известных решений поставленной про-лемы и разработать обшие требования к системе автоматизированного правления ИУК;
разработать общую методологию и принципы построения системы ав-оматизированного управления трубоукладочной колонны, структурную и лгоритмическую ее организацию;
разработать принципы построения средств автоматизации ИУК и тех-ические требования для их проектирования;
разработать математическое описание и компьютерные модели средств втоматизации, локальных подсистем и объекта автоматизации;
исследовать динамические особенности средств автоматизации и всей истемы в целом на основе компьютерных моделей с целью проверки рабо-оспособности системы и выработки рекомендаций для проектных организа-ий;
разработать и исследовать аппаратные средства автоматизации изоля-.нонно-укладочиой колонны, предложить методику их расчета и проектиро-ания, дать рекомендации по использованию научных результатов.
Идея работы заключается в обеспечении координации и синхрониза-;ии работы всех машин и механизмов изоляционно-укладочной колонны пу-ем создания системы автоматизированного управления, виртуальная струк-ура которой представляется в виде совокупности автономных систем на базе ранов-трубоукладчиков, корректируемых исходя из условий управления сей колонной, и централизованной ЭВМ, выполняющей анализ и синтез ал-оритмов управления.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач ыли использованы основные законы классической физики, теоретической и троительной механики, методы планирования эксперимента, математиче-кой статистики, численные методы и процедуры параметрической оптими-ации. Основные расчеты и моделирование средств автоматизации и систем доводились с помощью ЭВМ с использованием современных программных іатематических комплексов. Полученные результаты проверялись экспери-іентально в лабораторных и производственных условиях.
иСНОоНЫё НОЛОУКНЫЯ% аЫНОСИ'пЫс Ни jи Щы/ж2}\
. Принципы построения системы автоматизированного управления трубоукладочной колонной и алгоритмы ее управления, заключающиеся в регулировании суммарной загрузки трубоукладчиков колонны на основе информации о их суммарной допустимой нагрузке, высотах расположения тех-
нологических машин и прогнозирования напряженно-деформи-рованноп состояния трубопровода путем совместной работы грузоподъемных і стреловых агрегатов кранов и регулирования дистанций между ними.
-
Принципы построения системы регулирования координаты подвеса трубо провода краном-трубоукладчиком за счет одновременного манипулирова ния грузовой и стреловой лебедками с учетом допустимой величины на грузки на крюке.
-
Способ корректировки курсового движения крана-трубоукладчика в ко лонне и система автоматического регулирования курса путем относитель ного смещения троллейной подвески вдоль трубопровода.
-
Метод регулирования дистанций между подвижными машинами в колонн и реализующая его система автоматического регулирования, в основе ко торого лежит принцип передачи информации о движении «от конца к на чалу».
-
Математические модели средств автоматизации и системы автоматизнрс ванного управления трубоукладочной колонной.
-
Результаты исследования динамики средств автоматизации и системы эе томатизированного управления трубоукладочной колонной.
-
Математические модели напряженно-деформированного трубопровода пр укладке его в траншею.
.8. Результаты параметрического синтеза регулятора нагрузки і! его практнче екая реализация. Научная новизна работы заключается в том, что впервые в отсчесл венной и зарубежной науке и практике поставлена и решена проблема создг ния автоматизированных трубоукладочных колонн, а именно:
получено математическое описание изоляционно-укладочной колог ны, как объекта автоматизации, в статическом и динамическом виде на осне ве нелинейной теории напряженно-деформированного состояния трубопрс вода;
обоснованы критерии и требования к средствам управления трубоуі ладонными колоннами'
разработаны принципы построения:
а) системы автоматизированного управления трубоукладочной колої
ной, осуществляющей сбор и обработку информации о состоянии объект;
передачу сигналов на центральную ЭВМ для выполнения расчетов выходны
параметров, прогнозирования ситуации и коррекции результатов с учето
экс гремальных ситуаций;
б) системы автоматического контроля допустимой нагрузки на крюя
трубоукладчика на основе непосредственного измерения параметров coctoj
ния крана-трубоукладчика;
в) системы автоматического регулирования (САР) дистанциями межл
отдельными подвижными объектами колонны с использованием гибкої
троса для определения дистанции и передачи информации о движении п<
средством изменения его натяжения для трубоукладчиков, не оснащеннь
6
устройствами бесступенчатого регулирования скорости движения, и использованием гибкого троса только для измерения расстояния для трубоукладчиков, снабженных такими устройствами;
г) САР координаты подвеса груза на крюке трубоукладчика на основе
регулирования вектора усилия в грузовом канате с ограничением на величи
ну допустимой нагрузки;
д) САР курсового движения машины за счет изменения положения
троллейной подвески относительно стрелы трубоукладчика;
разработаны математические модели процессов регулирования координаты подвеса груза, курсового движения трубоукладчиков и дистанций между ними, синтезированы параметры настройки регуляторов систем и исследованы динамические процессы при регулировании параметров систем;
определены предпосылки для создания робототехнических и меха-тронных трубоукладочных комплексов на базе кранов-трубоукладчиков.
Научное значение работы заключается в том, что вперные в отечественной и зарубежной науке и практике поставлена проблема создания автоматизированных трубоукладочных колонн, теоретически обобщены, сформулированы и обоснованы научные положения по описанию процессов автоматизированной укладки трубопроводов с помощью трубоукладчиков, связанных и взаимодействующих между собой посредством гибкого трубопровода, что позволяет решить задачу создания комплексных эффективных систем управления трубоукладочными колоннами, способных корректировать параметры расстановки машин в колонне в зависимости от конкретных условий эксплуатации.
Практическая ценность работы заключается в разработке:
новых способов и реализующих их систем и устройств регулирования технологических параметров изоляционно-укладочных колонн, защищенных авторскими свидетельствами и патентами и позволяющих решить вопросы автоматизации изоляционно-укладочных работ;
метода расчета допустимой нагрузки на крюке крана-трубоукладчика, справедливого для целого класса гусеничных тр^бо^'клэдчкков как отечественного, так и импортного производства, и которое может быть легко реализовано с помощью микропроцессорных или аналоговых средств;
метода описания статики и динамики трубопровода в двух его плоскостях при укладке его в траншею, позволяющего проводить исследования напряженно-деформированного состояния трубы и загруженности трубоукладчиков, создавать новые эффективные схемы и методы расстановки машин и агрегатов в колонне;
прикладных ирсчрамм для анализа и проектирования устройств и систем автоматизации кранов-трубоукладчиков, а также конструкций трубоукладчиков при инженерных расчетах.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы 15.91 Миннауки РФ «Разработка принципов создания систем контроля и управления мобильными монтажны-
ми машинами и подвижными строительными объектами», сформированной в соответствии с программами 0.55.21 ГКНТ СССР и 055.19 Госстроя СССР, а также в плане научных направлений «Теория и принципы построения машин-автоматов, роботов и ГАП» и «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» ЮРГТУ (НПИ) и в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду министерства образования РФ «Теория и принципы построения лазерных и мехатронных систем оптимального управления мобильным робототехиическим комплексом» №41.95 и «Научные основы компьютерной технологии проектирования электромеханических комплексов перспективных транспортных систем» № 31.94.
Разработанные в ней основы теории автоматизации изоляционно-укладочных работ используются при выполнении опытно-конструкторских работ СКБ «Газстроймашина» и приняты к реализации в ОАО «Южтрубо-проводсгрой». Практические результаты работы позволяют сократить число простоев и аварийных ситуаций колонны, решить ряд социальных проблем, связанных с утомляемостью обслуживающего персонала и, тем самым, повысить надежность и эффективность управления ИУК.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
- V Международной научно-технической конференции по динамике техно
логических машин (Ростов-на-Дону, 1997 г.);
- Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии
управления робототехничеекими и автотранспортными объектами» (Ставро
поль, 1997 г.);
1-й Международной конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Ставрополь, 1999 г.);
П-й Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 1999 г.);
Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-2000 (Санкт-Петербург, 2000 г.);
ежегодных научных конференциях Южно-Российского государственного технического университета с 1986 по 2000 год;
научно-технических советах АО СКБ «Газстроймашина», АО ВНИИСТ, ОАО «Южтрубопроводстрой».
На базе настоящих исследований под руководством автора подготовлена її защищена одна кандидатская диссертация.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 40 работ, в том числе 4 монографии, 7 авторских свидетельств и патентов и 17 статей в центральной печати.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 291 странице, содержит 95 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список цитируемых литературных источников включает 134 наименования. Приложения включают прикладные программы модели-